李仲陽(yáng)

（國(guó)電電力湖南新能源開(kāi)發(fā)有限公司）

0 引言

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（doubly-fedinductiongenerator，DFIG）因其變流器容量小，具有有功功率和無(wú)功功率可以實(shí)現(xiàn)解耦控制的優(yōu)點(diǎn)，已成為主流機(jī)型，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子通過(guò)機(jī)側(cè)變流器提供勵(lì)磁，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)定子電壓也跌落，導(dǎo)致定子電流瞬間增大。由于定轉(zhuǎn)子的強(qiáng)耦合關(guān)系，轉(zhuǎn)子電流也會(huì)突增，機(jī)組因過(guò)流停機(jī)，系統(tǒng)剩余能量經(jīng)過(guò)機(jī)側(cè)變流器流向直流母線，會(huì)引起母線電壓激增，IGBT擊穿。為了實(shí)現(xiàn)剩余能量的有效泄放，目前常見(jiàn)的解決方法是將轉(zhuǎn)子并聯(lián)Crowbar電路、直流母線并聯(lián)斬波電路等［1-2］。

1 低電壓穿越要求及控制流程

1.1 網(wǎng)壓跌落要求

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，要求風(fēng)電機(jī)組不間斷并網(wǎng)運(yùn)行；并網(wǎng)點(diǎn)電壓在電壓輪廓線以下時(shí)，風(fēng)電機(jī)組可以從電網(wǎng)切出［3］。

在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有并網(wǎng)運(yùn)行625ms的能力。

在發(fā)生跌落后2s內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓能夠恢復(fù)到額定電壓的90%，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組需一直并網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)向電網(wǎng)發(fā)無(wú)功以幫助其恢復(fù)正常。

1.2 機(jī)組控制流程

實(shí)現(xiàn)機(jī)組低電壓穿越（lowvoltageridethrough，LVRT）主要包括以下模塊：網(wǎng)側(cè)變流器 （line-side converter，LSC）模塊、機(jī)側(cè)變流器 （generator-side converter，GSC）模塊、網(wǎng)壓測(cè)量模塊和主控模塊。機(jī)組低電壓穿越控制流程如圖1所示。

圖1 機(jī)組LVRT控制流程圖

風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至90%以上額定電壓時(shí)，為正常狀態(tài)；90% ～20%為L(zhǎng)VRT狀態(tài)；20%以下為故障狀態(tài)。斬波DBR在正常狀態(tài)和LVRT狀態(tài)開(kāi)啟，此時(shí)電機(jī)定子仍與電網(wǎng)連接，Crowbar不動(dòng)作，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在故障狀態(tài)時(shí)，Crowbar動(dòng)作，電機(jī)定子與電網(wǎng)斷開(kāi)連接。

（1）通過(guò)變流器中的網(wǎng)壓測(cè)量模塊對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)壓跌落至額定值的90% ～20%時(shí)，主控PLC和變流器進(jìn)入LVRT模式。

（2）網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變流器進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)后關(guān)閉，定子始終不脫網(wǎng)，網(wǎng)側(cè)變流器3ms后重啟，向電網(wǎng)發(fā)無(wú)功以幫助其恢復(fù)正常。

（3）直流母線電壓大于設(shè)定的閾值時(shí)，斬波DBR開(kāi)啟，進(jìn)行能量泄放。

（4）轉(zhuǎn)子剩余能量通過(guò)續(xù)流二極管流向直流母線。

（5）網(wǎng)壓恢復(fù)正常后機(jī)側(cè)變流器開(kāi)始工作，機(jī)組重新運(yùn)行。

（6）當(dāng)檢測(cè)網(wǎng)壓跌落至額定值的20%以下時(shí)，機(jī)組進(jìn)入故障狀態(tài)，定子脫網(wǎng)并觸發(fā)Crowbar，進(jìn)行轉(zhuǎn)子剩余能量泄放。

2 網(wǎng)壓跌落時(shí)DFIG動(dòng)態(tài)特性

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓方程如下：

式中，us、ur表示定、轉(zhuǎn)子電壓；is、ir表示定、轉(zhuǎn)子電流；Rs、Rr表示定、轉(zhuǎn)子電阻；ω表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；ψs、ψr表示定、轉(zhuǎn)子磁鏈；p為極對(duì)數(shù)。

磁鏈方程如下：

忽略定子電阻，則定子電壓和磁鏈的關(guān)系如下：

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，定子磁鏈以固定角速度在空間旋轉(zhuǎn)，且幅值恒定不變。采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系表示定子磁鏈，方程如下所示：

式中，ω1表示定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度；ψm表示定子磁鏈的幅值。

由式（3）和式（4）可得：

3 硬件描述

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件拓?fù)?/p>

3.1 DBR

DBR電路由IGBT和電阻串聯(lián)構(gòu)成，并聯(lián)于直流母線兩端，當(dāng)直流母線電壓大于設(shè)定閥值時(shí)，通過(guò)軟件控制IGBT的開(kāi)通，電阻對(duì)直流母線能量進(jìn)行泄放，從而保證直流電壓穩(wěn)定。

對(duì)DBR控制邏輯進(jìn)行合理設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組在正常狀態(tài)、LVRT狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)DBR都可以動(dòng)作。

3.2 Crowbar

Crowbar電路由電阻、晶閘管和三相不控整流橋構(gòu)成，并聯(lián)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出線端。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三相交流電流經(jīng)不控整流后變成直流電流，通過(guò)軟件控制晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，從而將轉(zhuǎn)子能量消耗在Crowbar電阻上。

3.3 二極管整流橋

由上述分析可知，機(jī)組在LVRT狀態(tài)時(shí)機(jī)側(cè)變流器處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)Crowbar不動(dòng)作，由于定轉(zhuǎn)子的強(qiáng)耦合關(guān)系，轉(zhuǎn)子側(cè)的暫態(tài)電流會(huì)導(dǎo)致定子電流瞬間增大。

為了實(shí)現(xiàn)LVRT狀態(tài)下轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的有效泄放，在直流母線和轉(zhuǎn)子出線端增加轉(zhuǎn)子電流續(xù)流二極管整流橋，將轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流引入直流母線并通過(guò)DBR進(jìn)行泄放。

3.4 UPS

不間斷電源設(shè)備 （uninterruptiblepowersupply，UPS）是為主控系統(tǒng)供電用的，當(dāng)電壓跌落后，要保證電控系統(tǒng)的供電正常。

第一階段:數(shù)據(jù)收集整理階段。工作專班對(duì)收集的數(shù)據(jù)（來(lái)源：科室和財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)）進(jìn)行整理，形成電子表格（如圖 1）。

在LVRT期間，控制系統(tǒng)的電源電壓也會(huì)跌落，控制系統(tǒng)的電壓源為400V。

為了保證電源模塊在電壓跌落期間提供穩(wěn)定的控制電壓，采用的UPS型號(hào)為Phoenix／24V／40A電源模塊。

4 軟件描述

4.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)由PLC構(gòu)成，通過(guò)CAN通信向變流器發(fā)送電流指令，同時(shí)向伺服控制器發(fā)送變槳指令。

機(jī)組在LVRT狀態(tài)時(shí)，主控系統(tǒng)根據(jù)最大風(fēng)能捕獲實(shí)時(shí)計(jì)算電流指令，網(wǎng)壓恢復(fù)正常后，根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行工況對(duì)電流指令進(jìn)行修正，轉(zhuǎn)子電流指令按斜率增減，并保證其波動(dòng)在允許的范圍內(nèi)，為了防止電流指令跳變，通過(guò)軟件進(jìn)行濾波處理。

在大風(fēng)條件下機(jī)組進(jìn)入LVRT狀態(tài)時(shí)，主控系統(tǒng)需要根據(jù)風(fēng)速大小對(duì)變槳系統(tǒng)控制進(jìn)行優(yōu)化處理。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)速度變化較慢，不需要對(duì)變槳系統(tǒng)進(jìn)行大范圍的調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)消耗較少的機(jī)械能，速度變化快，需要對(duì)槳葉角度及時(shí)進(jìn)行控制，防止飛車現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 網(wǎng)側(cè)變流器

在網(wǎng)壓跌落瞬間及跌落過(guò)程中，網(wǎng)側(cè)變流器一直保持正常運(yùn)行。通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器可以實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定控制，保證網(wǎng)側(cè)輸入電流波形呈正弦，從而滿足系統(tǒng)對(duì)功率因數(shù)的要求。

在網(wǎng)壓不平衡跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓、電流會(huì)出現(xiàn)負(fù)序分量，機(jī)組采用2倍頻的陷波器，濾除掉負(fù)序分量。

4.3 機(jī)側(cè)變流器

在網(wǎng)壓跌落瞬間及跌落過(guò)程中，機(jī)側(cè)變流器一直處于關(guān)閉狀態(tài)。為了保證直流母線電壓穩(wěn)定，需要對(duì)轉(zhuǎn)子暫態(tài)能量進(jìn)行泄放，通過(guò)二極管整流橋?qū)⒛芰恳胫绷髂妇€，利用DBR電路中的電阻消耗轉(zhuǎn)子剩余能量。

網(wǎng)壓恢復(fù)時(shí)，為了降低恢復(fù)瞬間轉(zhuǎn)子電流的沖擊，轉(zhuǎn)子電流給定需要按一定的斜率進(jìn)行增減，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子電流、電壓的控制保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重新正常運(yùn)行。為了避免網(wǎng)壓恢復(fù)時(shí)因轉(zhuǎn)子過(guò)流導(dǎo)致機(jī)側(cè)變流器重啟，通過(guò)軟件算法對(duì)電流指令進(jìn)行濾波，特別是在網(wǎng)壓剛恢復(fù)瞬間，電流電壓的超調(diào)、波動(dòng)較大，根據(jù)頻譜分析、理論計(jì)算確定濾波器的頻率。

5 仿真及分析

為了驗(yàn)證所提硬件拓?fù)浼癓VRT控制策略的有效性，采用Matlab建模并對(duì)其進(jìn)行仿真，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，網(wǎng)壓和定子電流波形如圖3所示。

圖3 網(wǎng)壓和定子電流波形

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)壓跌落過(guò)程中，定子電流幅值突然變大。機(jī)側(cè)變流器停止工作，轉(zhuǎn)子電流通過(guò)續(xù)流二極管整流橋（如圖2所示）流向直流母線，導(dǎo)致母線電壓升高，當(dāng)母線電壓值超過(guò)DBR觸發(fā)閾值時(shí)，DBR開(kāi)始動(dòng)作，轉(zhuǎn)子電流剩余能量通過(guò)DBR回路進(jìn)行泄放，當(dāng)直流母線電壓恢復(fù)正常時(shí)，DBR關(guān)閉。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)在直流母線和轉(zhuǎn)子出線端增加轉(zhuǎn)子電流續(xù)流二極管，并結(jié)合軟件控制算法實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越功能。首先介紹了機(jī)組低電壓穿越要求及低穿控制流程，然后分析了網(wǎng)壓跌落時(shí)DFIG的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)硬件拓?fù)溥M(jìn)行了詳細(xì)的介紹，基于DBR回路、Crowbar回路和轉(zhuǎn)子電流續(xù)流二極管，結(jié)合主控系統(tǒng)和網(wǎng)側(cè)、機(jī)側(cè)變流器的低穿控制算法，完成了DFIG低電壓穿越功能的仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果證明，采用本文所提的硬件拓?fù)浜偷痛┛刂撇呗阅軡M足電壓跌落瞬間和恢復(fù)時(shí)電流沖擊小的控制目標(biāo)，有效抑制了轉(zhuǎn)子過(guò)流。